Aufbau einer präziseren Wireless Ranging-Lösung für die Ermittlung von Kontaktpersonen

Die drahtlose Funkortung kann eine entscheidende Voraussetzung für die automatische Kontaktverfolgung sein, um Ausbrüche ansteckender Krankheiten wie COVID-19, die durch engen Kontakt übertragen werden können, zu identifizieren und zu analysieren. Konventionelle Ranging-Methoden, die Bluetooth Low Energy (BLE) verwenden, können theoretisch genaue Daten liefern, aber praktische Einschränkungen der Radiofrequenz (RF)-Signalübertragung können diese Genauigkeit beeinträchtigen. Da der Bedarf an effektiveren Methoden zur Eindämmung der Ausbreitung von COVID-19 wächst, suchen die Entwickler nach Alternativen zu herkömmlichen Methoden, um maximale Genauigkeit zu erreichen und gleichzeitig Kosten und einfache Implementierung miteinander in Einklang zu bringen.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde von Dialog Semiconductor eine Softwarelösung entwickelt, die die derzeit verfügbare und eingesetzte BLE-Technologie und Infrastruktur nutzt. Sobald die Lösung als Software-Upgrade für die BLE-System-on-Chip (SoC)-Geräte des Unternehmens implementiert ist, ermöglicht sie eine genauere, radarähnliche drahtlose Entfernungsmessung.

Dieser Artikel beschreibt, wie die Ermittlung von Kontaktpersonen funktioniert. Anschließend werden Bluetooth-Geräte und die dazugehörige Software von Dialog Semiconductor vorgestellt, die eine genauere Lösung für die Implementierung der präzisen drahtlosen Entfernungsmessung bieten, die für die Auftragsverfolgung und andere Anwendungen zur Annäherungserkennung erforderlich ist.

Warum die Ermittlung von Kontaktpersonen für die Eindämmung von COVID-19 unerlässlich ist

Die Eindämmung der Ausbreitung von Infektionskrankheiten ist ein Eckpfeiler der Epidemiologie und besonders wichtig für den Umgang mit der Gesundheit von Bevölkerungen, die mit einem neuen Virus wie dem Coronavirus 2 des schweren akuten respiratorischen Syndroms (SARS-CoV-2), das die COVID-19-Krankheit verursacht, konfrontiert sind. Eines der wirksamsten Instrumente zur Verringerung von Ausbrüchen ist die Anwendung von Verfahren zur Ermittlung von Kontaktpersonen.

Die Ermittlung von Kontaktpersonen klingt im Prinzip ganz einfach: Personen, die kürzlich in die Nähe einer ansteckenden Person gekommen sind und selbst infiziert sein könnten, identifizieren und benachrichtigen. In der Praxis ist der Arbeitsablauf bei der Ermittlung von Kontaktpersonen recht kompliziert und stützt sich in der Regel auf einen großen Stab von Sachbearbeitern, die infizierte Personen befragen und diejenigen benachrichtigen und unterstützen, die für eine spätere Infektion gefährdet sein könnten (Abbildung 1). Wenn diese benachrichtigten Personen ihren Kontakt mit anderen weiter einschränken, wird die Übertragungskette des Virus unterbrochen.

<Abbildung 1: Das Centers for Disease Control and Prevention (CDC) empfiehlt einen Arbeitsablauf zur Ermittlung von Kontaktpersonen, der auf einer Liste von Kontakten aufbaut, die von einer infizierten Person zur Verfügung gestellt wurden, um Personen zu benachrichtigen, die möglicherweise während der für vermeintliche COVID-19-Infektionen empfohlenen 14-tägigen Frist eine Selbstquarantäne durchführen müssen. (Bildquelle: CDC)

Die Notwendigkeit einer raschen Identifizierung und Meldung einer möglichen Infektion ist besonders wichtig bei COVID-19, wo die Forscher noch daran arbeiten, ein umfassendes Verständnis der Übertragungs- und Infektionsmodi zu erlangen. Tatsächlich wurden grundlegende medizinisch relevante Fakten über COVID-19 erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt. Beispielsweise bestätigten Epidemiologen einige Monate nach der Identifizierung des SARS-CoV-2-Virus, dass eine Virusübertragung durch infizierte Personen möglich ist, die noch keine COVID-19-Symptome [Furukawa]¹ aufweisen.

Mit dem Verständnis, dass diese Art der asymptomatischen Übertragung möglich ist, wurde die frühzeitige Ermittlung von Kontaktpersonen zur Verlangsamung der Ausbreitung der COVID-19-Pandemie von größter Bedeutung. Unter Verwendung einer epidemiologischen Standard-Modellierungsmethode demonstriert das Tabellenkalkulationstool CDC COVIDTracer die Auswirkungen einer frühzeitigen Kontaktverfolgung auf tägliche Fälle in einer repräsentativen Population von 100.000 Personen (Abbildung 2).

<Abbildung 2: Ein CDC-Modell veranschaulicht, wie die Anwendung verschiedener Strategien die Kurve für neue Fälle abflachen kann, die im Laufe eines Jahres in einer Bevölkerung von 100.000 Menschen gefunden werden. Die rot gepunktete Linie zeigt den Beginn jeder Kontaktverfolgungsstrategie an. (Bildquelle: CDC)

Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann sich der Verlauf eines Ausbruchs je nach der Wahl einer von drei verschiedenen Strategien zur Ermittlung von Kontaktpersonen erheblich unterscheiden:

• Strategie 1: Beginnen Sie mit der Ermittlung des Kontaktes zu einer Person erst dann, wenn diese Person bereits COVID-19-Symptome aufweist (in diesem Modell 7 Tage nach der Infektion, basierend auf Forschungsstudien).
• Strategie 2: Beginnen Sie sofort mit der Ermittlung des Kontaktes, wenn die infizierte Person erste Anzeichen von Symptomen zeigt (6 Tage nach der Infektion).
• Strategie 3: Beginnen Sie sofort mit der Ermittlung von Kontaktpersonen, wenn ein COVID-19-Test eine infizierte Person identifiziert, aber bevor diese Person Symptome zeigt (4 Tage nach der Infektion, wenn laut Forschungsstudien eine asymptomatische Übertragung möglich wird).

Selbst wenn die Ermittlung von Kontaktpersonen beginnt, sobald eine Person ansteckend wird (Strategie 3), kann die Zahl der Sachbearbeiter, die für die Ermittlung von Kontaktpersonen benötigt werden, schnell anwachsen. Das CDC-Modell veranschaulicht die Zunahme des Personalbedarfs bei durchschnittlich 5 Kontakten pro infiziertem Einzelfall ("Lower" in Abbildung 3) und bei durchschnittlich 20 Kontakten pro Fall ("Upper" in Abbildung 3).

<Abbildung 3: Das CDC-Modell zeigt, wie durch den Einsatz verschiedener Strategien die Anzahl der für die Ermittlung von Kontaktpersonen erforderlichen Sachbearbeiter gesenkt werden kann, wenn man von durchschnittlich fünf Kontakten pro Fall ("Lower") oder 20 Kontakten pro Fall ("Upper") ausgeht. (Bildquelle: CDC)

Die doppelten Anforderungen an eine möglichst frühzeitige Ermittlung von Kontaktpersonen und eine ausreichende Personalstärke haben die Bemühungen um technologische Lösungen zur Identifizierung und Kontaktaufnahme von Personen, die möglicherweise in die Nähe einer infizierten Person gekommen sind, vorangetrieben. Anstatt von den Infizierten zu verlangen, dass sie sich an Kontakte erinnern und die Sachbearbeiter diesen Kontakten nachgehen, kann eine geeignete technologische Lösung automatisch die Nähe zu anderen Personen aufzeichnen, die möglicherweise dieselbe Technologie verwenden. Tatsächlich kann dieser Ansatz eine vierte Strategie bieten, die in der Lage ist, rückwirkend eine Kontaktverfolgung mit Personen einzuleiten, die am Tag 0 angetroffen wurden, wenn medizinische Forschungen vermuten lassen, dass sich die infizierten Personen selbst durch eine andere ansteckende Person angesteckt hätten. Wie in den obigen Abbildungen angedeutet, kann eine frühere Benachrichtigung über Kontakte die Kurven sowohl der täglichen Fälle als auch des erforderlichen Personals dramatisch abflachen.

Aufgrund seiner weiten Verbreitung auf Smartphones und anderen persönlichen mobilen elektronischen Geräten wurde Bluetooth sofort die Technologie der Wahl für die automatisierte Kontaktverfolgung. Es entwickelte sich schnell zur Grundlage für mobile Anwendungen, die durch eine Reihe von gemeinsamen Anstrengungen von Herstellern, medizinischen Gruppen und Regierungsorganisationen entwickelt wurden. In Studien über die Wirksamkeit dieser Apps führten die Einschränkungen von Bluetooth jedoch zu enttäuschenden Ergebnissen.

Warum die automatische Kontaktverfolgung mit Bluetooth enttäuschend war

Prinzipiell scheint die Bluetooth-Technologie eine ideale Lösung für die automatisierte Kontaktverfolgung zu sein. Seine Allgegenwart gewährleistet eine breite Verfügbarkeit als Bereitstellungsplattform, und seine Fähigkeiten scheinen die grundlegenden Anforderungen an mobile Anwendungen zu erfüllen, die dazu dienen, Fälle von Nähe zu anderen Personen aufzuzeichnen, die dieselbe Technologie verwenden.

Für die Aufzeichnung von Kontaktinstanzen sind mindestens zwei Informationen erforderlich: die Entfernung zum Kontakt und eine weltweit eindeutige ID, die dem Kontakt zugeordnet ist. Typischerweise als häufig wechselnder Zufallswert implementiert, wird diese eindeutige ID von hochrangiger Anwendungssoftware verwendet, um den Kontakt unter Wahrung der Privatsphäre zu benachrichtigen, wobei verschiedene Methoden verwendet werden, die den Rahmen dieses Artikels sprengen.

Das Bluetooth-Werbeprotokoll bietet einen bestehenden Mechanismus zur Erfüllung dieser grundlegenden Anforderungen. Das als Standardfunktion der Bluetooth-Protokollstapel bereitgestellte Werbeprotokoll ermöglicht es einem Gerät, periodisch eine kleine Nutzlast wie die eindeutige ID mit minimalem Stromverbrauch zu übertragen. Ein Gerät, das das Werbeprotokollpaket empfängt, empfängt auch den RSSI-Wert (Received Signal Strength Indicator), den die meisten drahtlosen Funksubsysteme als relatives Maß der Signalstärke im Bereich von 0 bis 100 oder einer anderen vom Gerätehersteller festgelegten Obergrenze angeben.

Theoretisch nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen einem Sender und einem Empfangsgerät die Funkstärke am Empfänger proportional zum Quadrat der Entfernung ab. Dementsprechend würde der zugehörige RSSI-Wert sanft und monoton abnehmen.

In der Praxis kann die Beziehung zwischen RSSI und Entfernung sehr unterschiedlich sein, wie vor Jahren [Gao]² von der Bluetooth Special Interest Group (SIG), der Organisation, die die Entwicklung von Bluetooth beaufsichtigt, festgestellt wurde. Signalreflexion, Blockierung und Interferenz können die Signalstärke erheblich verändern. Infolgedessen kann das Verhältnis zwischen RSSI und Entfernung von einer Probe zur nächsten variieren - selbst wenn Sender und Empfänger stationär bleiben. In einer kürzlich durchgeführten Studie über die Wirksamkeit von Bluetooth-RSSI für die Kontaktverfolgung stellten Forscher fest, dass RSSI ohne Veränderung des physischen Abstands zwischen Sender und Empfänger steigen oder fallen kann, je nachdem, wie Smartphones von ihren Benutzern gehalten oder durch ihren Körper abgeschirmt wurden oder wie Funksignale von umgebenden Strukturen reflektiert, blockiert oder absorbiert wurden [Leith]³.

Bei dem Versuch, die Variabilität in RSSI zu glätten, haben die Entwickler verschiedene Strategien angewandt. Neben der einfachen Mittelung mehrerer RSSI-Messungen haben Versuche, die Genauigkeit von Distanzmessungen mit RSSI zu verbessern, verschiedene Filtermethoden mit begrenztem Erfolg angewandt. Andere Vorschläge zur Ermittlung von Kontaktpersonen haben den Einsatz anderer Funktechnologien wie Ultrabreitband (UWB) vorgeschlagen, aber im Gegensatz zu Bluetooth fehlt diesen Technologien die allgegenwärtige installierte Basis, die für eine sofortige, weit verbreitete Nutzung automatisierter Anwendungen zur Ermittlung von Kontaktpersonen zur Unterstützung der Bekämpfung von COVID-19-Ausbrüchen erforderlich ist.

Im Gegensatz dazu bietet Dialog Semiconductor eine Softwarelösung an, mit der seine Bluetooth-Hardwarelösungen einfach aufgerüstet werden können, um eine genaue drahtlose Reichweite zu ermöglichen, die für eine effektive Kontaktverfolgung erforderlich ist.

Aufrüstung eines Bluetooth-System-on-Chip für genaue Kontaktverfolgung

Das Wireless Ranging (WiRa) Software Development Kit (SDK) von Dialog Semiconductor arbeitet mit seiner DA1469x Familie von BLE SoC-Geräten zusammen, um den Bedarf an präziser Reichweite mit der vorhandenen Bluetooth-Technologie zu erfüllen. Die BLE-SoCs von Dialog Semiconductor wurden entwickelt, um die Anforderungen einer breiten Palette mobiler Produkte zu erfüllen. Sie integrieren einen Arm® Cortex®-M33 und ein vollständiges Bluetooth 5-Funksubsystem mit einem eigenen integrierten Arm Cortex-M0+-basierten Controller und einem umfassenden Satz integrierter Peripheriegeräte (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die BLE-SoCs der DA1469x-Familie von Dialog Semiconductor kombinieren einen Arm Cortex-M33 Host-Prozessor, ein dediziertes Bluetooth 5-Funksystem mit seinem eigenen Arm Cortex-M0+ und eine umfassende Reihe von Peripheriegeräten, die für typische drahtlose mobile Produkte erforderlich sind. (Bildquelle: Dialog Semiconductor)

Wie jede Bluetooth-kompatible Plattform unterstützt die DA1469x-Familie von Dialog Semiconductor die Standardwerbemodi, die den Beacon-Technologien zugrunde liegen, mit denen standortspezifische Nachrichten an Einzelhandelsstandorten übermittelt werden. Mit dem WiRa-SDK können Entwickler jedoch ein radarähnliches Protokoll einsetzen, das eine Reichweitengenauigkeit erreicht, die mit herkömmlichen Bluetooth-RSSI allein nicht erreichbar ist. Am wichtigsten ist, dass diese zusätzliche Fähigkeit auf vorhandenen DA1469x-basierten Geräten eingesetzt werden kann.

Bei diesem verbesserten Ansatz für die drahtlose Reichweite führen Bluetooth-Geräte das Dialog Tone Exchange (DTE)-Protokoll aus (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Dialog Semiconductor WiRa SDK implementiert radar-ähnliche drahtlose Reichweite durch die Implementierung eines DTE-Datenaustauschs zwischen zwei verbundenen Geräten, von denen eines in einer Standard-Bluetooth-Zentralrolle und das andere in einer Standard-Bluetooth-Peripherie-Rolle dient. (Bildquelle: Dialog Semiconductor)

Bei diesem Protokoll stellen Bluetooth-Geräte paarweise eine Verbindung her, wobei sie herkömmliche BLE-Zentral- und Peripherie-Rollen verwenden. Das zentrale Gerät gibt eine DEE-Startanforderung aus, die beide Geräte zur Synchronisierung veranlasst, und sendet dann während einer BLE-Leerlaufperiode den DTE-Ton für eine bestimmte Dauer und mit einem vordefinierten Satz von Frequenzen. Das Funksubsystem jedes Geräts wiederum führt eine hochauflösende Abtastung des empfangenen Ton-Bursts durch und bietet eine gleichphasige und Quadratur (IQ)-Signalausgabe. Unter Verwendung der IQ-Proben berechnet jedes Gerät die Phase für jede Burst-Frequenz (als "Atom" bezeichnet) und erzeugt so ein für dieses Gerät spezifisches Frequenzprofil.

Nachdem jedes Gerät sein gerätespezifisches Frequenzprofil mit seinem Gegenstück ausgetauscht hat, verwendet jedes Gerät diese Daten zur Berechnung der Entfernung mit einer von zwei Methoden, die vom WiRa SDK unterstützt werden. Bei der Methode der inversen schnellen Fourier-Transformation (IFFT) werden durch IFFT-Berechnungen die Frequenzprofildaten in den Zeitbereich transformiert und die mit der Spitzenimpulsantwort verbundene Zeitverzögerung in eine Abstandsmessung abgebildet.

Bei der phasenbasierten Methode verwenden die Berechnungen die Phasendaten pro Atom beider Bauelemente, um die Phasenunterschiede zu ermitteln. Anhand dieser Ergebnisse bilden die Berechnungen die durchschnittliche Phasendifferenz zur Entfernung (D) in Metern (m) gemäß Gleichung 1 ab:

 Gleichung 1

Dabei gilt:

𝑐� = Lichtgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde (m/s)

∆𝜑� = Phasendifferenz in Bogenmaß

∆𝑓� = Frequenzdifferenz in Hertz (Hz)

𝑁� = Anzahl der Atome

Obwohl die zugrundeliegenden Mechanismen und Berechnungen recht komplex sind, macht es Dialog Semiconductor den Entwicklern einfach, diesen Ansatz zu evaluieren und in ihre eigenen Entwürfe umzusetzen. Entwickler können das Wireless Ranging Development Kit DA14695 von Dialog Semiconductor (DA14695-00HQDEVKT-RANG) an den USB-Port ihres PCs anschließen und sofort mit der Erkundung der Wireless Ranging-Funktionalität beginnen, indem sie die Beispielsoftware des Unternehmens verwenden.

Basierend auf dem Dialog Semiconductor DA14695 BLE SoC, dient das Board des Wireless Ranging Kit als effektive Plattform für die Implementierung kundenspezifischer Software, indem es auf der Beispielsoftware aufbaut oder das WiRa SDK Wireless Ranging Service Routinen in kundenspezifischen Softwareanwendungen verwendet.

Neben dem WiRa SDK bietet Dialog Semiconductor ein Beispiel für ein Social Distance Software-Paket, das eine verbesserte drahtlose Entfernungsmessung mit DTE implementiert und eine Reihe von zugehörigen Softwareroutinen bereitstellt, darunter sowohl IFFT-basierte als auch phasenbasierte Entfernungsmessverfahren. Zum Beispiel ist die in Listing 1 gezeigte phasenbasierte Berechnungsroutine cwd_calc_distance() eine einfache Implementierung der oben gezeigten phasenbasierten Abstandsmessgleichung.

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float cwd_calc_distance(float *init_phase_atom, float *refl_phase_atom)
{
    float *dd_phi = d_phi; /* reuse d_phi, or: float dd_phi[CWD_N_ATOM_MAX-1];*/
    float dd_phi_mean;
    int i;
 
    for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom; i++)
    {
        /* phase "difference" between initiator and responder */
        d_phi[i] = init_phase_atom[i] + refl_phase_atom[i];
 
        if (i != 0)
        {
            /* phase difference between neighboring frequencies */
            dd_phi[i-1] = d_phi[i] - d_phi[i-1];
        }
    }
 
    unwrap_phase(dd_phi, cwd_parm.n_atom - 1, 1);
 
    /* average dd_phi */
    dd_phi_mean = 0;
    for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom - 1; i++)
    {
        dd_phi_mean += dd_phi[i];
    }
    dd_phi_mean = dd_phi_mean / (cwd_parm.n_atom - 1);
 
    dd_phi_mean = wrap_to_two_pi(dd_phi_mean - CWD_PHASE_OFFSET);
 
    /* distance */
    return (dd_phi_mean * CWD_C_AIR/(4 * M_PI * cwd_parm.f_step * 1e6));
}

Listing 1: Diese Berechnungsroutine ist eine einfache Implementierung der oben gezeigten phasenbasierten Abstandsmessgleichung. (Code-Quelle: Dialog Semiconductor)

Fazit:

Die drahtlose Entfernungsmessung kann eine wichtige Voraussetzung für die automatische Ermittlung von Kontaktpersonen sein, um Ausbrüche ansteckender Krankheiten wie COVID-19 zu identifizieren, aber herkömmliche Bluetooth-Protokolle haben nicht zuverlässig die erforderlichen genauen Entfernungsmessungen geliefert.

Um dieses Problem zu lösen, bietet eine Softwarelösung von Dialog Semiconductor eine genauere, radarähnliche Lösung für die drahtlose Entfernungsmessung, die als Software-Upgrade für Systeme implementiert werden kann, die auf den Bluetooth-Niederenergie-System-on-Chip-Geräten des Unternehmens basieren. Dieser Ansatz verbessert die Genauigkeit bei gleichzeitiger Eindämmung der Kosten und ermöglicht einen schnellen Einsatz auf derzeit aktiven Geräten.

Einzelnachweise:

1. [Furukawa] Evidenz zur Unterstützung der Übertragung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 während präsymptomatischer oder asymptomatischer
2. [Gao] Annäherung und RSSI
3. [Leith] Coronavirus-Kontaktverfolgung: Evaluierung des Potenzials der Nutzung der empfangenen Bluetooth-Signalstärke für die Nahbereichserkennung